X光散射技術
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X光散射技術或X射線繞射技術(英語:X-ray scattering techniques)是一系列常用的非破壞性分析技術,可用於揭示物質的晶體結構、化學組成以及物理性質。這些技術都是以觀測X射線穿過樣品後的散射強度為基礎,並根據散射角度、極化度和入射X光波長對實驗結果進行分析。X光散射技術可在許多不同的條件下進行分析,例如不同的溫度或壓力。
發明
該方法是由馬克斯·馮·勞厄於1912年發明的,他因而獲得諾貝爾物理學獎。
原理
X光的本質是一種電磁波,而電磁波能夠發生繞射,即繞開障礙物傳播。該方法利用的就是這個原理。之所以採用X光,是因為X光的波長與大多數分子或者晶胞大小相差不多,能夠在分子或晶體的微觀結構中發生繞射,同時也會被分子或者晶胞吸收一部分,而且穿透力適中,從而可以類似於穿透式電子顯微鏡那樣,通過接收經過分子之後的X光,而得到清晰的圖譜。
X光繞射技術
X光繞射(X-ray diffraction)技術可以用於研究分子的構象或形態。X光繞射技術是基於X光在穿過長程有序物質所發生的彈性散射。「繞射動力學理論」對晶體的散射現象給出了更為複雜的描述[1]。以下列出的是X光繞射的相關技術:
- 單晶X射線繞射:用於解析晶態物質中分子的整體結構,研究範圍可以從小的無機小分子到複雜的大分子,如蛋白質;可用單色性X光(德拜法)或連續波長X光(即「勞厄法」)進行研究。
- 粉末繞射:也是一種獲得晶體(微晶)結構的方法,所用樣品為多晶態或粉末固態晶體。粉末繞射通常用於鑑定未知物質,主要通過將繞射數據與繞射數據國際中心(International Centre for Diffraction Data,ICDD)中的繞射數據庫進行比較。這一技術或可用於鑑定非均一態的固體混合物,確定其中含量相對豐富的晶態物質;而且,當與網格修正技術(如Rietveld修正)連用時,還可以提供未知物質的結構資訊。粉末繞射也是確定晶態物質晶系的常用方法,並可用於測定晶體顆粒的大小。
- 薄膜繞射。
- X射線極圖分析:用於分析和測定晶態薄膜樣品中晶態方位。
- X射線回擺曲線分析法:用於定量測量晶態物質的粒度大小和鑲嵌度散佈。
散射技術
彈性散射
即使是非晶態物質(非長程有序),也可能可以用依賴於單色性X光的彈性散射的方法來研究:
- 小角X射線散射:在散射角2θ接近0°時,對樣品的X射線散射強度進行測量,以獲取納米到微米量級上的分子結構資訊。[2]
- X射線反射率:用於分析和測定單層或多層薄膜的厚度、粗糙度和密度。[3]
- 廣角X射線散射:測量散射角2θ大於5°。
非彈性散射
當非彈性散射的X射線的能量和角度被監測時,相關的散射技術就可以用於探測物質的能帶結構:
實際應用
本方法對於化學和生物學的發展有着極大的貢獻。至2013年為止,通過此方法進行科研而獲得諾貝爾獎的科學家,就至少有6人。他們是
- 1914年,馬克斯·馮·勞厄(德國),獲得諾貝爾物理學獎。
- 1915年,布拉格父子(英國),獲得諾貝爾物理學獎。
- 1936年,彼得·德拜(英國/荷蘭),獲得諾貝爾化學獎。
- 1962年,奧森等3人[誰?],獲得諾貝爾生理學或醫學獎。
- 1964年,艾倫·勞埃德·霍奇金(英國/埃及),諾貝爾化學獎。
- 1985年,赫伯特·豪普特曼等3人,諾貝爾化學獎。
單晶解析
1970年開始,喬治·謝爾德里克開發用於晶體解析的SHELX軟件,廣受歡迎[4]。
參考文獻
- ^ (英文)Azároff, L. V.; R. Kaplow, N. Kato, R. J. Weiss, A. J. C. Wilson, R. A. Young. X-ray diffraction. McGraw-Hill. 1974.
- ^ (英文)Glatter, O.; O. Kratky. Small Angle X-ray Scattering. Academic Press. 1982 [2008-01-24]. (原始內容存檔於2012-02-11).
- ^ (英文) Holy, V. et al. Phys. Rev. B. 47, 15896 (1993).
- ^ Sheldrick, G. M. A short history of SHELX. Acta Crystallographica Section A: Foundations of Crystallography. 2008-01-01, 64 (1) [2024-04-12]. ISSN 0108-7673. doi:10.1107/S0108767307043930. (原始內容存檔於2022-05-07) (英語).